Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТИ Й ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сотов СоветскинСоциалистическиеРеспублик 1748737(22) Заявлено 29.12.77 (21)2561982/24-07 с присоединением заявки М -Гвеуднрсжннмй комитет СССР ао делам изобретений. и открытий(72) Авторы изобретения Киевский ордена Ленина политехттический институтим. 50 петия Великой Октябрьской социалистической революции(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯ ННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ ЗАДАННОЙ ФОРМЫ Изобретение относится к преобразованию и регулированию электрической энергии с помощью переключающих элементов,например попупроводниковых приборов, иможет быть использовано в системах эле.ктропитания, в электроприводе для полу 5чения низкочастотного напряжения квазисннусоидальной формы.Известны преобразователи с квазнсинусоидвльной формой выходного напряжеОния, содержащие амплитудные модуляторы,нагруженные на силовые трансформаторы Щ и 2,Недостатком таких преобразователейявляется работа силовых трансформаторов ,с низкой частотой выходного напряжения,что неизбежно приводит к ухудшению массо-габаритных показателей и, в свою очередь является причиной узкого диапазонарегулирования частоты выходного напряжения. Существуют преобразователи спроменСуточным повышением частоты, обладающие улучшенными массо-габаритными показателями, включаюшие в себя де 2модулятор, подключенный к последовательно соединенным вторичным обмоткам силовых трансформаторов амплитудных модуляторов а и 4 .Однако наличие нв всем периоде в выходном напряжении этих преобразователей/провалов до нуля приводит к ухудшениюего гармонического состава,Наиболее близким по технической сущности среди преобразователей с промежуточным повышением частоты является,преобразователь с кввзисинусоидвльнойформой выходного напряжения, содержащийосновные и дополнительные силовые амплитудные модуляторы, вторичные обмоткисиловых трансформаторов которых соэдинэны последсаатэпьно и подключены ко входу демодулятора. При этом управляющиевходы основных амплитудных модуляторовподключенЬ к выходам вспомогательныхамплитудных модуляторов, связанных спрограммным узлом, а управляющие входыдополнительных амплитудных модуляторовподключены к выходам фазовых модулято7 4и со входами другой части амплитудньймодуляторов, при этом выход демодулятора,управляющий вход которого подключен квыходу узла инвертирования фазы, подсоединен к одному входу узла обратнойсвязи, другой вход которого подключенк выходу источника эталонного напряже-ния, связанного также со входом нуль-органа, выход узла обратной связи подсоединен ко входу выпрямителя, выходомподключенного к одним входам блока аьплитудных компараторов, другие входыкоторых связаны с выходами блока формирователей пилообразных напряжений. Приэтом блок формирователей пилообразныхнапряжений может быть выполнен в видегенератора пилообразного напряжения исумматоров, одни входы которых соединены с вьходом генератора пилообразногонапряжения, а другие входы подключенык источникам различных эталонных уровней, причем вход генератора пилообразного напряжения является входом блока,а выходы сумматоров - его выходами,На фиг. 1 представлена схема преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы, .иллюстрирующие его работу; на фиг, 3 -пример выполнения блока формирователейпилообразных напряжений; на фиг. 4 пример выполнения амплитудного компаратора и фазового модулятора; на фиг. 5 -на фиг. 6 - форма выходного напряжения преобразователя.Преобразователь постоянного напряже.- ния в переменное заданной формы содерния 5. Вторичные обмотки вьмодных трансформаторов инверторов соединены последовательно и подключены ко входу демодуратором 7, содержит блок формирователей пилообразных напряжений 8, вход которого соединен с вьмодом задающего генератора 7, источник эталонного напряжения 9, узел обратной связи 10, один вход которого соединен с выходом генератора эталон ного напряжения 9, а другой вход связан с выходом демодулятора 6. Выход узла обратной связи 10 подключен ко входу выпрямителя 11. Кроме того, система управления содержит блок амплитудных компараторов 12, включающий в себя амплн" тудные компараторы 13, 14, 15, причем3 74873ров, подключенньм к выходам блоке обраъной связи 5,Выходное напряжение такого преобразователя представляет собой ступенчатуюфункцию, формируемую основными амплитудными модуляторами, с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону на отдельных ступенях, получаемой сдополнительных амплитудньм модуляторов,Недостатком такого преобразователя является сложность перестройки программногоузла при получении выходного напряжениялюбой другой формы, отличной от синусоидальной, что необходимо, например, приформировании управляющего воздействияйсполнйтельнйми электромагнитными устройствами в системах автоматического- регулирования.Кроме того, данный преобразоватепьобладаеч малым диапазоном регулирования" величины вьмодного напряжения, так как он" "определяется только диапазоном регулиро" - -вания широтно-модулированного напряжения,формируемого дополнительными амплитуд-ными модуляторами, В ряде случаев, на-пример, при испсцьзовании такого преобразователя в устройствах частотно регулируемого электропривода, узкий диапазонрегулирования недостаточен,Цель изобретения - расширение футциональных возможностей эа счет получ 8ния переменного напряжения любой заданной формы и увеличения диапазона егорегулирования,Указанная цель -достигается тем, что визвестный преобразователь, содержащийамплитканые Модуляторы, силовые входы"которых подключены к источнику постоян- жит амплитудные модуляторы 1,2,3,4,ного напряжения,.а вторичные обмоткиих выполненныена основе идентичных схем,выходных трансформаторов соединены по например, мостовых инверторов, подклюследовательно и подсоедийены ко входу ченйых к"источнику постоянного напряжедемодулятора, а также систему управления, включающую в себя задающий генератор, выходом подцпоченный к одним входам блока фазовых модуляторов, другие 45 лятора 6, Система управления преобраэовходы, которого соединены с выходами вателя, синхронизируемая задающим генеблсйа-амйлитудных компаратЬров", при этомвыходы блока фазовых модуляторов соединены со входами одной:части ампйитудных модуляторов, дополнительно введеныисточник эталонного напряжения, узел об-ратной связи, выпрямитель, блок формирователей пилообразных напряжений, узелинвертирования фазы, нуль-орган, причемвыход задающего генератора связан с одним из входов узла инвертирования фазы,другой" вход которого подключенк выходунуль-органа, а также со входом блокаформирователей пилообразных напряжений5. 748737 б один из входов амплитудных компараторов напряжение постуйает на один аход фазо13 1 соединен с выходом выпря- вого модулятора 17, а на второй аходмителя 11, а другой вход - с соответ- напряжение О задающего генератора 7.ствуюшими выходами блока формирова- При этом на выходе фазового модулятораталей пилообразного напряжения 8, блок17 формируется напряжение О с фазофазовых модуляторов 16, содержащий фа- вым сдвигом относительно напряжения О,зовые модуляторы 17,18,19, одни из задающего генератора 7 на величину длиьходов которых подключены к выходам тельности импульсов напряжений О,з комамплитудных компараторов, соответствен-паратора 13, С момента времени 1но 13, 14, 15, а другие аходы подхлю о амплитуда напряжения Ос выходачены к выходу задающего генератора 7. выпрямителя 11 превышает амплитуду пиУправляющие входы амплитудных моду- лообраэного напряжения 0 Н, поступающеголяторов 1 связаны с выходом задающего на аход компаратора 13 й он прекращает.генератора 7, а управляюшиеаходы ампли- свою работу. При этом фазовый сдвигтудных модуляторов 2,3,4 связаны со напряжения О. на выходе фазового модуответственно с выходами фазовых моду- лятора 17. в дальнейшем не изменяется,иляторов 17,18,19, В состав системы сохраняет свое конечное значение, Приуправления входит также узел инвертиро- дальнейшем изменении этапойного напрявания фазы 20, один иэ входов которого жения в интервале времени 1- 1 всту-соединен с выходом задающего генера- щ пает в" работу компаратор 14, что приво- тора 7, а другой аход сощинен с дит к аналогичному изменению фазы напвыходом нуль-органа 21, вход ко- ряжения Она выходе фазового модуляторого подключен- к выходу . источ- тора 18. В интервале времени 1 -С ника эталонного напрянсайия 9, Выход уз процессы изменения напряжений О О7 8 ла инвертирования фазы 20 связан с уп- уз на выходах фазовых модуляторов 17 18Ф равляющим входом демодулятора 6. Вы- происходят в обратном порядке. Напряжеход демодулятора 6 является выходом , ния О , Она выходах фазовых моду- преобразователя. ляторов 17, 18 являются управляющимиРассмотРим РаботУ пРеобРазователЯ веню 2 3 с выхо ньдля амплитудных модулятопов соответсткого напряжения участвутст ампли дн, . 2 ф оплитудные модуляторы 1 уп модуляторы 1,2,3, фазовые модуля ., Равляются импульсами с выхода задахщего генератора 7 и фаза их выхо ныхнапряжений Ов процессе работы не иэмирует эталонное напряжение синусоидаль . В ез льтате с мми ованой формы. Задающйй генератор 7 (фиг,1)вырабатывает высокочастотное напряжениеО(фиг. 2) типа меандр, поступающеее ие торов 1,2,3 эа счет последовательногона вход блока формирователей пилообраэ фсоединения вто ичных обмоток их вьных напряжений, с выходов которого нилоР 4 О трансформаторов на входе демо лято аз,фриРУтсЯ напРЯжение О х ., Управлениео разные напряжения ОО, смещен- демо ля)ф О й- демодулятором 6 осуществляется выходные друг относительно друга на велйчинчну, ными импульсами узда инвертивоваьиа фаих амплитУды подаютсЯ на одни входы аьь-эы 20 кэы 0 Ф который под деиствием напряжения14, поступает напряжение О и с выпряе . его вход, изменяет азу напряжений заданющего генератора 7, поступающего намителя 1, на вход которого подается:, другой его ьход,на 180 С. Изменение фазы . напряжение ссогласования с вьр рассогл сования с выхода уэ- на 180 С,происходит в моменты перехода ла об атной связи 10. П ир ной связи 10. При этом на адин эталонного напряжения через нуль, фиксивход узла 10 подается напряжение сину- руемые нуль-органом 21. П и атом насоидальной формы с выхода источникаточника выходе демодулятора 8 формируется выаталонного напряжения 9, а на вто ойт Рой;ходное напРЯжение преобРазователЯ Оь,напряжение с выхода демодулятора 6, При К ф 4а фиг. 4 представлен один из возиэменении эталонного напряжения, в интевале в емени т, + с на выхо е кР"можных вариантов выполнения схем ампР, .т. она ыходе ком- литудного компаратора 13 и фазового мо-;паратора 13 формируется широтно-мод- дулятора 17, обеспечивающих сдвиг фазы .лированное напряжение О, по закону управляющего напряжения амплитудногоизменения эталонного напряжения. Это модулятора 2 в соответствии с измене7 7487нием напряжения эталонного генератора8, а на фиг. 5 - диаграммы их работы,На неинвертируюший и инвертирующийвходы компаратора 13 поступают соответственно пилообразные напряжения5Ои напряжения О н (фиг, 2,4) предтавляющие собой выпрямленное напряжение рассогласования между напряжениемэталонного генератора 8 и выходным напряением преобразователя. Широтно-мо одулированное напряжение О, с выходакомпаратора 13 поступает на один входфазового модулятора 17, выполненногона логических элементах И-НЕ а на вто-"рой вход подается напряжение 0 7 задающего генератора 7, Выходное напряжение схем И-НЕ 22,23,24,25,26,27 соответственно обозначены 02,О ЯО 2 ф022 ь27Напряжения 326О 27 являются управляющими дпя ампдитудного .модулятора 2. Схемы фазового модулятора 18 и компаратора 14, связанные с амплитудным модулятором 3,аналогичны. Отличие состоит только в том,что пилообразное напряжение О 8подаваемое на вход компаратора 14, смещенона величину амплитуды напрякения 0Таким образом, напряжение 0 и при выходе из зоны регулирования дпя амплитудного модулятора 2 попадает в зону регу- одирования для амплитудного модулятора 3,чем достигается непрерывное слежениевыходного напряжения преобразователя занапряжением эталонного источника. Следуетотметить, что в преобразователе обеспечи- звается однозначная связь между текущимзначением напряжения эталонного источника 8 и значениями сдвига фаз напряженийамплитудных модуляторов. Изменениемэталбнного напряжеиия как по амплитуде,щтак и по частоте осуществляется соответствующее регулирование параметров выходного напряжедия преобразователя. Принеобходимости улучшения формы выходногонапряжения по сравнению с рассмотренной дколичество амплитудных модуляторов требуется увеличить, что приведет к увеличению числа ступеней ввйходнсм напряжении," и кахследствие, уменьшению доли широтно-импульсного напряжения, Например, на, .рфиг. 6 показан вид выходного четырехступенчатого напряжения ддя случая, когда в.его формировании участвуют пять амплитудно-импульсных модуляторов.55С целью упрощения графического изображения диаграмм работы преобразователякратность промежуточной и модулирующейчастот выбрана небольшой, В связи с .-. 37 8эти, выходное напряжение преобразователя имеет незначительную несимметрию.Однако, в случае б.,пьшой кратности этихчастсч, например, 1 и =20 кГц,,=50 Гц несимметрия выходного напряжения несущественна,На фиг, 3 представлен один из возможных вариантов выполнения блока формирователей пилообразных напряжений 8, Онсодеркит генератор пилообразного напряжения 28, вход которого является входом блока 8 и сумматоры 29,30,31,выходы которых являются выходами бдокв 8. Одни входы сумматоров 29,30,31соединены с выходом генератора пилообразного напрякения 28, а другие входыподключены к источникам различных постоянных эталонных уровней О , Оэтим эт 2На вььхсде генератора пилообразэтЪного напряжения 28, синхронизируемоговыходными импульсами задающего генератора 7, формируется пилообразное напрякение, которое поступает нв одни входы сумматоров 29, 30, 31, На другиевходы сумматоров 29 30, 31 подаются постоянные, но различные по величинеэталонные напряжения ОО 2Оэт 1эт 2 э 3величина которых отличается друг от друга соответственно на величину амплитудыпилообразного нвпрякения, формируемогона выходе генератора пилообразного напрякения 28, В результате на выходахсумматоров 29, 30, 31 формируются пилообразные напряжения, смеиенные друготносительно друга на величину амплитуды пилообразного напряжения.Использование в предлагаемом преобразователе новых блоков и схем выгодно отличает его от указанного прототипа. Если в известном преобразователе необ.ходимость изменения формы выходного напряжения неизбекно приводит к необходимости полной функциональной перестройки прстраммногс узда тс в предлагаемом греобрвзоватеде сдио лишь изменение формы эталонного напряжения приводит к соответствующему изменению формы выходного напряжения преобразователя, причем любое изменение параметров эталонного сигнала приводит к соответствующему изменению параметров выходного напряжения. Следует отметить, что любому мгновенному значению эталонного сигнала от нуля дс максимума соответствует определенный фазовый сдвиг выходных напряжений амплитудных модуляторов, одно- зычно определяющий величину выходного наприкения пресбрвзсватедя, Таким сб9 7487 разом, преобразователь обладает значи-.тельно большим диапазоном регулирования выходного напряжения, так как имеется практическая возможность регулировать его от нуля до максимального зна 5 чения. В качестве примера был рассмотрен вариант работы преобразователя с синусоидальным выходным напряжением, В этом случае в качестве источника эталонного напряжения используется генератор синусоидального сигнала. Для получения другой формы выходного напряжения необходим генератор с напряжением соответствующей формы. При необходимости управления разнообразными процессами (гальванопластика, пропорциональное управление электромагнитными испопнительными устройствами, использование в цепях питаниямощных модуляторов и т.д.) возможности преобразователя могут быть значительно расширены, если в ка-.честве источника эталонного напряжения использовать аналоговую или цифровую электронно-вычислительную машину с цифроаналоговым преобразователем. При этом выходное напряжение преобразователя может изменяться по заранее установленному закону (программе) или в соответствии с изменениями характера протекания процесса ЭО формула иэобр ет ения 37 10вания фазы, нуль-орган, причем выход задающего генератора связан с одним иэ входов узла инвертирования фазы, второй вход которого подключен к выходу нуль- органа, а также со входом блока формирователей пилообразных напряжений и,со входами другой части амплитудных модуляторов, при этом выход демодулятора, управляющий вход которого подключен к выходу узла инвертирования фазы, подсоединен к одному входу узла обратной связи, второй вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, связанного также со входом куль-органа, выход узла обратной связи подсоединен ковходу выпрямителя, выходом подключенного к одним входам блока амплитудных компараторов, другие входы которых связаны с выходами блока формирователей пилообразных напряжений.2. Преобразователь по п, 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, чтс, блок формирователей пилообразных напряжений выполнен в виде генератора нилообраэного напряжения и сумматоров, одни входы которых соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, а другие входы подключены к источникам различных эталонных уровней, причем аход генератора пилообразного напряжения является входом блока, а выходы сумматоров - его выходами.1, Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы, содержащий амплитудные модуляторы, силовые входы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а вторичные обмотки нх выходных трансформа-. торов соединены последовательно и подсоединены ко входу демодулятора, а также систему управления, включающую в себя задающий генератор, выходом подключенный к одним входам блока фазовых модуляторов, другие входы которого соединены с выходами блока амплитудных компараторов, при этом выходы блока фазовых модуляторов соединены со входами одной части амплитудных модуляторов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет получения переменного напряжения любой заданной формы и увеличения диапазона его регулирования, в преобразователь дополнительно введены источник эталонного напряжения, узел обратной связи, выпрямитель, блок формирователейпилообразных напряжений, узел инвертироИсточники информации,принятые во внимаиие при экспертизе 1; Патент США Мо 3723848,кл, 321-45, 1973.2. Заявка Йеликобритании % 1371717, кл, Н 2 Р 1974.3. Миловзоров В; Н., Мусопин А. К., Морозов А, С, Стабилизированный преобразовательпостоянного напряжения в переменное ступенчато-синусоидальное.-Современные задачи преобразовательной техники", Киев, изд. АН УССР, 1975, ч,4, с, 150-157.4. Тонкаль В. ЕМельничук Л, П Новосельцев А. ВДыхненко Ю. И. Метод биений и построение на его основе тиристорных преобразователей частоты с регулируемыми параметрами синусоидального напряжения,-"Современные задачи преобразовательной техники, Киев, изд, АН УССР, 1975, ч. 3, с. 187-197.5, Авторское свидетельство СССР по заявке М 246357/07 (0321 156) .каз 4381/1 ЦНИИПИ юиай ПП Патент т. Ужг Тираж 783 Подписное4 ул. Проектная,